(57)【要約】【課題】本発明は溶融ガラス液面高さを簡便かつ精密に制御できる、しかも制御できる液面高さの範囲が広いガラス液滴製造装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス中への浸漬量で溶融ガラス液面高さを制御するプランジャと、前記プランジャの浸漬量を制御する手段と、を有することを特徴とするガラス液滴製造装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス中への浸漬量で溶融ガラス液面高さを制御するプランジャと、前記プランジャの浸漬量を制御する手段と、を有することを特徴とするガラス液滴製造装置。
【請求項２】
前記ルツボの側面に溶融ガラスを流す樋を設け、前記樋に前記ノズルを連接する請求項１記載のガラス液滴製造装置。
【請求項３】
前記プランジャは、骨格部と骨格部の表面を被覆する表面部とからなる請求項１または２記載のガラス液滴製造装置。
【請求項４】
前記骨格部が耐熱性金属および／またはセラミックスからなる請求項３記載のガラス液滴製造装置。
【請求項５】
前記骨格部は多孔質である請求項３または４記載のガラス液滴製造装置。
【請求項６】
前記表面部は貴金属である請求項３、４または５記載のガラス液滴製造装置。
【請求項７】
ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス液面高さを制御する手段と、を有するガラス液滴製造装置で製造したガラス液滴をダイレクトプレスすることを特徴とする光学ガラス素子製造法。
【請求項８】
ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス液面高さを制御する手段と、を有するガラス液滴製造装置で製造したガラス液滴を冷却してガラスプリフォームとし、該ガラスプリフォームをリヒートプレスすることを特徴とする光学ガラス素子製造法。
【請求項９】
前記溶融ガラス液面高さを制御する手段がプランジャである請求項７または８記載の光学ガラス素子製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量ばらつきが非常に小さく、簡便にしかも安定して生産性よくガラス塊を製造するためのガラス液滴製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスレンズに代表される光学ガラス素子の製造方法として、ガラス塊を精密プレス成型してそのまま研磨せずに使用することが注目されている。このような光学ガラス素子のプレス成型法としては、精密に質量を制御された溶融ガラス塊を直接、金型に供給してプレス成型するダイレクトプレス法と、所定の質量に制御された、変形しない温度まで冷却されたガラス塊（以下、ガラスプリフォームともいう）を金型に供給して再度変形温度まで加熱してプレス成型するリヒートプレス法とに大別される。
【０００３】
ダイレクトプレス法やリヒートプレス法においては、原料であるガラス塊の質量のばらつきが大きいと光学ガラス素子の寸法形状がばらつき、形状不良品が多く発生し歩留りが低下するほか、例えば、量が少ないと被成型材料であるガラス塊にかかる圧力が不足して転写不充分となり光学面を研磨等後加工する必要がある。逆に、量が多すぎると残留応力が発生して光学特性のばらつき大きくなる、バリが多く発生し後処理加工が必要などの問題がある。したがって、光学ガラス素子の製造にとって、質量のばらつきの少ないガラス塊を提供することは重要である。
【０００４】
このようなガラス液滴製造装置の一つとして、ルツボと滴下ノズルとを有するものがある。ルツボと滴下ノズルとを有するガラス液滴製造装置において、ガラス塊の質量のばらつきを抑えるとは、すなわち滴下ノズルから滴下するガラス（以下、滴下ガラスという）の質量のばらつきを抑えることである。
【０００５】
ルツボと滴下ノズルとを有するガラス液滴製造装置において、滴下ガラスの質量のばらつきを抑える方法として、特許文献１には溶融ガラスを常にあふれさせることによりノズル部での液面高さを一定にする方法（以下、オーバーフロー方式という）が提案されている。しかし、オーバーフロー方式では液面の高さの変更、すなわちガラス塊質量の変更が容易ではないうえ、無駄にガラスを捨て続ける必要がある。
【０００６】
さらに、オーバーフローするまではガラス塊を実質的に製造できない。オーバーフローさせるためには大量の溶融ガラスを準備する必要があり生産性が低い、原価が高いなどの問題点もある。また、溶融ガラスの粘性が低い場合には液面高さの影響が大きいため、液面高さを精密に微調整する必要があり、製造が難しくなるおそれがある。
【０００７】
一方、特許文献２には、ガラス容量の減少に伴いガラス原料を投入することでガラス液面の高さを一定に保つ方法（以下、バッチ投入方式という）が提案されている。バッチ投入方式では、必要量だけ追加すればよいのでオーバーフロー方式に比べてエネルギー効率などの点では優れているものの、液面高さを低くしたい場合には、それに相当する溶融ガラス分を排出するまでは実質的に液面高さの制御ができない。
【０００８】
逆に、液面高さを高くしたい場合には、短時間に大量の溶融ガラスを投入する必要があるが、そのためには投入量を大きくしておく必要がある。しかし、一般に、投入量が大きい装置では微量の投入量を制御することは難しくなり精密制御には不向きとなる。すなわち、バッチ投入方式では対応できる条件変更の範囲が狭いか、幅広い範囲での条件変更に対応できるようにするためには装置を大掛かりなものとする必要がある。また、溶融ガラスの粘性が低い場合には、液面高さの影響が大きく、液面高さを精密に微調整するためガラス原料を準連続的に投入する必要があるため実質的にバッチ投入方式では対応できない。
【０００９】
いずれにせよ、大掛かりな装置を必要とせずに簡便に、液面高さを幅広い範囲で精密に制御でき、しかも対応できるガラスの種類が多く、高生産性のガラス液滴製造装置はいまだ提案されていない。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−４８５２９号公報（２頁）
【特許文献２】特開平１１−２９３３０号公報（２〜３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、大掛かりな装置を必要とせずに簡便に、液面高さを幅広い範囲で精密に制御でき、かつ安定した高生産性のガラス液滴製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス中への浸漬量で溶融ガラス液面高さを制御するプランジャと、前記プランジャの浸漬量を制御する手段と、を有することを特徴とするガラス液滴製造装置を提供する。
【００１３】
別の本発明は、ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス液面高さを制御する手段と、を有するガラス液滴製造装置で製造したガラス液滴を、ダイレクトプレスまたは冷却してプリフォームとし該プリフォームをリヒートプレス、することを特徴とする光学ガラス素子製造法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のガラス液滴製造装置を使用することにより、滴下ガラスの質量に直接影響する溶融ガラスの液面高さを簡便かつ精密にしかもレスポンスよく制御できる。したがって、本発明のガラス液滴製造装置により、精密に制御された質量からなり、しかもそのバラツキが小さいガラス塊を簡便、かつ安定して製造できる。そのため、本発明により得られる所望の精度に制御されたガラス塊を使用して高精密なガラスレンズ等の光学ガラス素子を簡便にしかも安定して製造できる。
【００１５】
従来のガラス液滴製造装置では、低粘性の溶融ガラスを使用すると、質量を厳密に制御し、しかもバラツキの低い、ガラス塊を簡便に安定して生産することは難しかったが、本発明のガラス液滴製造装置を使用することにより、低粘性の溶融ガラスから高粘性の溶融ガラスまで幅広いガラス種に対応して質量を厳密に制御し、しかもバラツキの低いガラス塊を簡便に安定して製造できる。
【００１６】
ノズルをつける位置としては、ルツボの底面や直接的または樋等を介して間接的にルツボ側面に連接するのが好ましい。ノズルを直接的または樋等を介して間接的にルツボ側面に連接すると、ルツボ内のガラス溶融量が一定あるのでより好ましい。さらに、直接的または樋等を介して間接的にルツボ側面にノズルを連接すると、ノズルを短くでき、溶融ガラス液面からノズル先端までの高低差が小さいので、ノズルにかかる圧力が低く、ノズルの耐久性が向上するのでこの点でも好ましい。
【００１７】
溶融ガラス液面を任意に制御できる本発明のガラス液滴装置を使用して製造したガラス液滴は、質量バラツキが小さいので、これをそのままダイレクトプレスしたり、またはガラス液滴を冷却してガラスプリフォームとしたものリヒートプレスして光学ガラス素子とした場合には、質量のバラツキが小さく寸法のバラツキの小さい精密な光学ガラス素子を安定的に生産性よく製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のガラス液滴製造装置（以下、本製造装置という）は、ルツボと、前記ルツボに直接的または間接的に接続されるノズルと、前記ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを検出するセンサと、前記ルツボ内の溶融ガラス中への浸漬量で溶融ガラス液面高さを制御するプランジャと、前記プランジャの浸漬量を制御する手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
本製造装置において、ルツボの材質は溶融ガラスに対して耐食性のあるものであれば特に制限されない。ルツボの材質としては、白金、金、ロジウム、イリジウムなどの貴金属およびそれらの合金系や、アルミナ、ムライトなどのセラミックス材料が好ましいものとして挙げられる。また、ルツボの形状や加熱用発熱体としては、特に、制限はなく、通常のものが好適に使用される。なお、ルツボ全体の機械的強度を上げるため、貴金属製のるつぼの外側に必要に応じて補強材を添えて使用してもよい。
【００２０】
本製造装置において、ノズルはルツボに直接的または間接的に接続される。直接的に接続する例としては、ルツボの底面や側面にノズルをそのまま連接させる構造が挙げられる。ノズルを間接的に接続する例としては、ルツボの側面に溶融ガラスを流せる樋やパイプ（以下、樋等という）を連接し、その樋等に穴を形成してそこにノズルを連接させる構造が挙げられる。
【００２１】
前記穴の位置は樋等の端部付近とすると、樋等の内部で滴下されずに長期間滞留し欠点となるおそれの高い滞留した溶融ガラスの発生を防止できるため好ましい。また、樋等を設けることによりプランジャを出し入れする際の波の影響を少なくする効果もある。なお、樋の場合、上面は開放してもよく、またゴミ等の混入防止、溶融ガラスに含まれる低揮発成分の揮散防止のため蓋等でカバーしてもよい。
【００２２】
本製造装置において、ノズルの取り付け位置は、溶融ガラスを滴下できれば特に制限はない。ノズルをルツボの側面に溶融ガラスを流せる樋を連接し、その樋の端部付近に穴を形成してそこにノズルを連接させる構造とすると、溶融ガラスの溶融量を充分に確保しながら、ノズル先端から溶融ガラス液面までの距離を短くでき、制御の応答性が上がるため好ましい。また、ノズルにかかる荷重も小さいため、ノズルの耐久性も向上する。
【００２３】
ノズルを前記樋の端部に形成した穴に連接させた場合、ルツボ内の溶融ガラスを排出させるための開閉手段を底面に設けるとノズルからの滴下ガラスの生産を妨げることなく、溶融ガラスの品質を調査できるほか、残存ガラスを排出できメンテナンスも容易となる。
このような開閉手段としては、単に排出穴をルツボ底面に形成し、通常は、冷風を吹き付けて溶融ガラスを凝固させて栓とし、必要に応じて前記栓を加熱溶融させて溶融ガラスを排出するようにしてもよい。
【００２４】
本製造装置において、ノズルとしては溶融ガラスに対して耐食性があり、しかも溶融ガラスを液滴として滴下できるものであれば特に材質、形状等に制限はない。材質としては溶融ガラスに対する耐食性、耐ガラス素地汚染性などの点から、貴金属製とするのが好ましく、白金（白金系合金を含む）および／または金（金系合金を含む）からなる材質とするとさらに好ましい。
【００２５】
本製造装置において、溶融ガラスの液面高さはプランジャの溶融ガラス中の浸漬量を変化させることによって制御する。すなわち、溶融ガラスの液面高さをセンサによって検出し、所望の液面高さとの変位および溶融ガラス中へのプランジャ浸漬量を算出し、それに基づいて、プランジャの位置を上下方向に移動して溶融ガラス液面高さを制御する。具体的には、溶融ガラスの液面高さが所望の高さより低い場合には、プランジャの浸漬体積を増やすように制御し、逆に、溶融ガラスの液面高さが所望の高さより高い場合には、プランジャの浸漬体積を減らすように制御する。
【００２６】
本製造装置において、プランジャとしては、少なくともその表面が溶融ガラスと反応しない材質で形成されていれば特に制限されない。前記プランジャの表面の材質としては、耐食性、耐ガラス素地汚染性の点でルツボで記載したような貴金属であると好ましく、白金や金およびそれらの合金であるとさらに好ましい。プランジャを貴金属の一体物で形成してもよいが、貴金属以外の別材質と組み合わせてよい。
【００２７】
プランジャを骨格部と骨格部の表面を被覆する表面部とからなるものとし、骨格部を耐熱性金属および／またはセラミックスとし、表面部を貴金属とすると、プランジャの耐食性、耐ガラス素地汚染性を維持しながら機械的強度を大きく向上させることができ、しかも耐久性に優れ、原価も低減できるため好ましい。
【００２８】
前記の場合、骨格部として、空洞を形成して中空形状としたり、または気孔率の大きい多孔質とした、耐熱性金属やセラミックスを採用して、プランジャのみかけ比重を溶融ガラスの比重より小さくすると、破損等の原因でプランジャ部分が溶融ガラス内で自由な状態になった場合でも沈んでルツボ底を破損しないため好ましい。なお、前記セラミックスとしては、特に制限されないが、酸化物セラミックス、炭化物セラミックス、窒化物セラミックスなどが使用できる。
【００２９】
前記の場合、表面部としては、溶射、蒸着等で貴金属の膜を骨格部表面に形成したり、貴金属製の箔で前記骨格部を浸漬部分に隙間ができないように包みこんで形成してもよい。なお、貴金属製の表面を形成するのは、骨格部の全面でもよいが、浸漬部分だけでもよい。例えば、多孔質セラミックス柱状体にシャフトをつけた状態で底面と側面全体を覆えるような貴金属箔を包み込んで浸漬部分を被覆してもよい。
【００３０】
使用するプランジャの本数も特に制限がなく、１本で制御してもよいもが、２本以上の複数本のプランジャで制御してもよい。
【００３１】
プランジャの形状としては特に制限はない。プランジャの形状として、円柱や角柱などの柱状体を採用すると、プランジャ浸漬量の制御がしやすくなり、その結果、ノズルから滴下されるガラス塊の質量制御がしやすくなるため好ましい。
【００３２】
プランジャの形状を柱状体とした場合、（プランジャの水平方向の断面積）／（ルツボの水平方向の最大断面積）（以下、この比率を単に断面積比という）が１／２０〜９／１０とするのが制御の精度、制御しやすさなどの点で好ましい。断面積比が１／２０未満であると、制御できる溶融ガラス液面高さの範囲が狭くなり、プランジャを全部浸漬しても制御できなくなるおそれがある。一方、断面積比が９／１０を超えるようになると、プランジャがルツボ内壁と接触し、プランジャやルツボに損傷を与えるおそれがあるため好ましくない。
【００３３】
また、プランジャが柱状体でない場合には、（プランジャの浸漬予定部位の体積）／（ルツボ体積）（以下、この比率を単に体積比という）は、１／２０〜９／１０とすると、溶融ガラス液面制御の精度、制御しやすさなどの点で好ましい。
【００３４】
連続的にガラス塊を製造するため、ルツボ内部を区切って、原料溶解、撹拌、清澄、滴下の各作業を連続的にできるようにした場合には、前記断面積比や前記体積比を１／２０〜１／６とするのが好ましく、前記断面積比や前記体積比を１／２０〜１／１０とするとさらに好ましい。
【００３５】
バッチ式にガラス塊を製造するため、ルツボ内部を区切らず、原料溶解、撹拌、清澄、滴下を同一場所で作業する場合には、前記断面積比や前記体積比を１／６〜９／１０するのが好ましく、前記断面積比や前記体積比を２／３〜９／１０とするとさらに好ましい。
【００３６】
プランジャの溶融ガラス中への浸漬量を制御する手段としては、プランジャを上下方向に移動させる駆動機構と、上下方向の変位量を検出し、前記駆動機構を制御する手段とを有するものであれば特に制限されない。前記駆動機構としては、プランジャの端部にシャフトを取り付け、そのシャフトを上下方向にリニアステッピングモータや油圧シリンダなどで移動させる方法や、前記シャフトの把持部にネジ部品を設け、シャフトの回転で移動させる方法などが好適な例として挙げられる。
【００３７】
上下方向の変位量を検出し、制御する手段として、シャフトに反射板を設け、光学センサによってシャフトの上下の変位量を読み取り、前記駆動機構にフィードバックさせる手段などが好ましい例として挙げられる。
【００３８】
本製造装置において、溶融ガラスの液面高さを検出するセンサとしては特に制限はないが、溶融ガラス液面を直接計測する光学センサ、溶融ガラス表面に浮かせたフロータの高さ変位を測定するセンサ、プランジャからの反力を測定するセンサ、通電式の液面感知センサなどが好ましいものとして挙げられる。なお、液面高さを検出するセンサとしては上記のものを単独で、または複数併用してもよい。
【００３９】
本製造装置において、ルツボ内に溶融ガラスを別途、供給するための手段を有すると、溶融ガラス液面高さの制御範囲が広がるため好ましい。このような供給手段としては、ノズルまたは排出穴を有する、内容積が本体のルツボの半分以下程度のルツボを別途用意する構成などが挙げられる。
【００４０】
以下、本製造装置を図１で説明する。ただし、本製造装置はこれに限定されるものではない。図１は本製造装置の実施態様の一つを説明する概念図である。図中、１はプランジャ、２はプランジャ、３は液面センサ、４は液面制御装置、５はルツボ、６はノズル、７はガラス塊（液滴）８は溶融ガラス、９は制御の対象である溶融ガラス８の液面高さ、１０はガラスを滴下できる最低液面高さ、１１は樋、１２はルツボの底、２０が本製造装置を、それぞれ示す。
【００４１】
始動方法について説明する。ルツボ５を図示しない加熱手段により所定温度まで加熱する。図示していない溶融ガラス投入装置から溶融ガラス８をルツボ５に供給する。このとき、溶融ガラス８の液面は、ガラスを滴下できる最低液面高さ１０よりも低い位置までとする。
【００４２】
さらに、溶融ガラス８を図示しない撹拌機によって充分撹拌後、清澄させてからプランジャ１を浸漬させ、必要に応じて溶融ガラスを再投入してもよい、溶融ガラス８の液面高さ９を所望の高さまで制御しガラス液滴７を滴下する。なお、撹拌機は、必要な時にルツボ５内にセットして使用してもよく、また最初からルツボ５内にプランジャとともに設置しておいてもよい。
【００４３】
次に、溶融ガラス８の液面高さ９の制御方法について説明する。まず、所望の質量を有するガラス液滴をノズルから滴下中に目標とする液面高さに比べてどれだけ液面が高いか低いかを液面センサ３により検知し、液面高さを修正するのに必要な体積分だけプランジャ１を液面制御装置からの制御信号に基づいて浸漬または引揚げる。これにより常に溶融ガラス８の液面高さ９を所望の高さに制御できる。
【００４４】
なお、ガラス液滴７の滴下を続けていくと、液面高さ９がプランジャ１を全部浸漬させても制御できない高さになるが、その前に適宜溶融ガラスを供給することにより精密に質量が制御されたガラス塊を連続的に製造できる。
【００４５】
ルツボ内の溶融ガラス液面高さをプランジャ１等で制御して製造したガラス液滴７は質量のバラツキが非常に小さく、このガラス液滴７をそのままダイレクトプレスしたり、ガラス液滴７を冷却してガラスプリフォームとしてリヒートプレスすると精密にプレス成型でき、質量を厳密に制御され、寸法精度に優れた光学ガラス素子を製造できる。
【実施例】
【００４６】
ルツボ５として、上端の内径約８０ｍｍ、下端の内径約６０ｍｍ、高さ約９０ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍの内容積が約３５０ｍＬの金製の容器を準備した。このルツボ５の側面に断面形状が凹型となる幅約１０ｍｍ×深さ約４０ｍｍ×約１５ｍｍの金製の樋１１を、樋１１の上面とルツボ５の上面が同じになるように設けた。このとき、樋１１の底とルツボ５の底の距離（高低差）は約５０ｍｍとなり、樋１１の底中央には金製のノズル６を設けた。
【００４７】
プランジャ１として、内径約３４ｍｍ、高さ約９０ｍｍ、厚さ約０．７ｍｍの底のある金製の円筒と、直径約３５ｍｍ、高さ約８０ｍｍの多孔質レンガ（日ノ丸窯業社製、商品名：ＳＰ１５）でできた円柱と、外径約１０ｍｍ、内径約８ｍｍ、高さ約７００ｍｍの強化白金製（田中貴金属社製、商品名：ＺＧＳ）のシャフトを準備し、そのシャフトの先端に多孔質レンガの円柱を配置し、金製の円筒で被覆し上端で封止した。
【００４８】
このシャフトの上端面は、プランジャの駆動機構２であるリニアステッピングモータ（オリエンタルモーター社製、商品名：ＰＷＡ１００−１ＰＭ）に接続した。このとき、プランジャの断面積（約９００ｍｍ２）は溶融ルツボの最大断面積（約５０００ｍｍ２）の約１／６とした。液面センサ３として、通電式液面感知センサを用い、その先端位置が所望の液面高さになるようにアルミナで固定して吊り下げた。センサ３とルツボ５には電圧をかけて、その出力信号から溶融ガラス８の液面の高さ９を特定し、所望の液面高さ（樋１１の底から約５ｍｍ上方）となるように制御した。
【００４９】
このルツボ５に低融点で低粘性のテルライト系ガラスカレットを約１５０ｍＬ入れて約９００℃で溶融させた後、プランジャ１を浸漬し、所定の高さまで液面高さ９を上昇させた後、ガラス液滴７の滴下を開始し質量約０．１ｇのガラス液滴７を３００個製造して質量のばらつきを観察したところ、σが０．５％以下となり、質量が精密に制御されたガラス塊が得られることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のガラス液滴製造装置を使用することにより、ルツボ内の溶融ガラスの液面高さを精密にレスポンスよく制御できる。したがって、質量を厳密に制御したガラス塊を簡便に安定して製造できる。また、対象とする溶融ガラスの粘性の範囲が広いため、多種類のガラスからガラス液滴（塊）を製造できる。
【００５１】
そのため、本発明により得られる所望の質量に精密に制御されたガラス塊を使用して高精密なガラスレンズなどの光学ガラス素子を簡便にしかも安定して製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のガラス液滴製造装置の概念図。
【符号の説明】
【００５３】
１：プランジャ
２：プランジャの駆動機構
３：液面センサ
４：液面制御装置
５：ルツボ
６：ノズル
７：ガラス液滴
８：溶融ガラス
９：溶融ガラス８の液面高さ
１０：滴下するために最低限必要な高さ
１１：樋
１２：ルツボの底
２０：本製造装置
【図１】
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